金属材料的强化材料力学性能.ppt

,.,*,第三章金属材料的强化,1,.,主要内容,一、,固溶强化,均匀强化、非均匀强化,二、细晶强化,细晶强化机理、细晶韧化、细化晶粒的方法,三、第二相强化,第二相强化分类、第二相强化理论,四、形变强化,2,.,一、,固溶强化,1,、均匀强化,强相互作用：间隙式溶质，晶格畸变大，对称性低,弱相互作用：置换式溶质，晶格畸变小，对称性高,1,）,Mott-Nabarro,理论,2,）,Fleischer,理论,3,）,Fleltham,理论,3,.,1,）,Mott-Nabarro,理论,强相互作用：,c,临界分切应力,G,切变模量,b,原子大小错配度,c,溶质浓度,临界分切应力与,溶质原子浓度,成正比,尺寸因素：溶质原子大小不同引起的弹性应力场作用,4,.,弱相互作用：,临界分切应力与,溶质原子浓度平方根,成正比,F,m,障碍对位错的最大作用力,b,点阵常数,5,.,2,）,Fleischer,理论,理论特点：除了尺寸因素外，还考虑了弹性模量的不同,临界分切应力与,溶质浓度平方根,成正比,c,临界分切应力,G,切变模量,s,弹性模量错配度,c,溶质浓度,6,.,U,溶质原子与位错的相互作用能,切变速率；常数,理论特点：,考虑了多个因素：溶质原子与位错的相互作用、溶质浓度、位错线的性质、温度等,3,）,Fleltham,理论,7,.,2,、非均匀强化,Cottrell,气团强化,Snoek,气团强化,Suzuki,气团强化,有序强化,静电相互作用强化,浓度梯度强化,8,.,1,）,Cottrell,气团强化,合金元素与位错之间的弹性交互作用能为,置换式溶质：,0,位于刃位错下方,0,位于刃位错上方,间隙式溶质：,位于刃位错下方,钉扎作用：位错周围合金元素阻碍或限制位错运动,9,.,2,）,Snoek,气团强化,Snoek,效应：在螺位错的切应力作用下，位错附近的溶质原子都会跳到交互作用能最低的位置上，使溶质原子呈有序分布,Snoek,气团强化：位错周围溶质原子的有序分布形成气团，钉扎位错,Snoek,气团的特点：,强化作用与温度无关，与溶质浓度成正比,形成速度快（仅需要跳动）,常温下对位错的钉扎与,Cottrell,气团相当，但高温和形变速度过大时，有序化程度太快，作用不显著,10,.,3,）,Suzuki,气团强化（化学相互作用强化）,Suzuki,气团：,溶质原子在层错区和基体两部分浓度不同,浓度差对位错有钉扎作用,Suzuki,气团特点：,对位错的钉扎力比,Cottrell,气团小，但受温度影响小,对刃型位错和螺型位错都有阻碍作用,举例：高温合金中加,Co,：,Co,降低,Ni,层错能，使位错容易扩展，形成,Suzuki,气团,11,.,4,）有序强化,位错通过有序区时破坏原子有序关系而增加位错阻力,5,）静电相互作用强化,溶质与位错相互作用时，溶质的导电电子重新分布，产生位错局部电偶极，形成短程静电交互作用,6,）浓度梯度强化,晶格常数变化梯度；弹性模量变化梯度；合金元素与位错弹性交互作用变化梯度,12,.,二、,细晶强化,1.,细晶强化机理,细晶强化原因：晶界两侧晶粒取向不一致，一个晶粒内的滑移带不能穿过晶界直接传播到相邻晶粒,Hall-Petch,关系式,Hall-Petch,关系式也适用于亚晶,0,：位错摩擦阻力,K,y,：,Petch,斜率,13,.,2.,细晶韧化,细化晶粒使材料强化的同时也使塑性和韧性提高,塑性提高：晶粒细化使单位体积内晶界上夹杂物相对减少,韧性提高：晶界也是裂纹扩展的障碍,14,.,3.,细化晶粒的方法,改善结晶和凝固条件,增大过冷度和提高形核率（加入孕育剂）,机械震动和强磁场、强电场（破碎枝晶和粗大晶粒）,调整合金成分,添加细化晶粒的元素：,Mg,、,B,、,Zr,及其他稀土元素,严格控制热处理工艺,冷变形的金属，控制回复和再结晶获取细晶,往复相变细化方法,在固态相变点附近，反复加热冷却，通过相变反复形核,举例：,10Ni5CrMoV,钢常规淬火晶粒度,9,级；以,9,/s,加热到,774,再淬火，晶粒度为,14-15,级,15,.,三、第二相强化,1.,第二相的分类,a,）冶炼过程中产生（夹杂物）,氧化物、硫化物等,夹杂物对合金性能有害,夹杂物与基体结合强度低,夹杂物往往呈尖角状，产生应力集中，促进裂纹形成,第二相强化不包含此类型,16,.,b,）热处理过程中产生,时效强化（沉淀强化）：依靠过饱和固溶体脱溶产生的强化,、,等,c,）人为添加到合金中,弥散强化：采用粉末冶金方法造成强化,Y,2,O,3,、,Al,2,O,3,等氧化物颗粒,弥散强化合金使用温度比时效强化合金高,17,.,2.,第二相强化理论,a,）直接强化,第二相的存在使位错运动受阻,主要强化机制,共格应变强化机制,化学强化（位错切过）机制,Orowan,位错绕过强化机制,b,）间接强化,第二相的存在影响了显微结构,钢中的,TiC,细化晶粒；,TD-Ni,中的,ThO,2,阻止晶粒长大,1,）第二相强化分类,18,.,a,）共格应变强化理论,f,屈服应力,错配度,f,第二相体积百分数,第二相使晶格错配而产生弹性应力场，对位错运动施加阻力,2,）直接强化的机制,19,.,b,）位错切过机制,产生条件：,基体与第二相有公共的滑移面，即第二相与基体保持共格或半共格,基体与析出相中柏氏矢量相差很小，或基体中的全位错为析出相的半位错,第二相强度不能太高，即第二相可与基体一起变形,20,.,位错切过第二相的阻力（强化原因）,新增表面能：,位错切过后，第二相两边各出现新的表面,反相畴界能：,第二相为有序相时,弹性模量差：,第二相与基体的弹性模量不同，位错线张力发生变化,弹性应力场：,第二相的共格畸变在界面附近形成弹性应力场,21,.,c,）,Orowan,（绕过）强化机制,Orowan,公式,常数,f,体积百分数,r,粒子半径,位错靠近粒子,位错线弯曲,反号位错抵消，形成位错环,位错继续运动,条件：第二相粒子间距较大；粒子本身很硬，位错切过困难,22,.,举例：时效强化合金强化机制,切过机制和绕过机制的综合作用,颗粒临界半径,23,.,四、形变强化,屈服发生后，随试样塑性变形量的不断增大，变形抗力不断增加的现象,形变强化工艺,-,剧烈冷变形，位错密度增加,24,.,金属材料的强化 小 结,一、,固溶强化,均匀强化理论、非均匀强化,二、细晶强化,细晶强化机理、细晶韧化、细化晶粒的方法,三、第二相强化,第二相强化分类、第二相强化理论（共格应变、位错切过、位错绕过）,四、形变强化,25,.,本章完,26,.,